新型有机—无机插层主客体复合材料的制备、表征及其光催化性能的研究

论文摘要

无机层状化合物的结构具有良好的规整性和可设计性，将不同性能的层状主体化合物与不同功能的插层客体相结合，由于主客体之间的相互作用，可得到具有特殊性能的插层材料。有机—无机插层复合材料在催化、光、电、磁等众多领域表现出良好的应用前景，正在成为材料领域中一个极富生命力的研究方向。本文以层状的V2O5和V3O8为无机主体，不同烷基链的烷基紫精（alkylviologens）为有机客体，制备了两个系列十四种新型的有机—无机插层化合物：V2O5／烷基紫精插层化合物RV2（其中R为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、已基、辛基、壬基、十二烷基），V3O8／烷基紫精插层化合物RV3（其中R为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基）。运用元素分析、X射线粉术衍射（XRD）、红外（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射（UV-vis DRS）等方法对所制备的插层化合物进行组成、结构和性质分析，同时考察了这些插层化合物作为光催化剂在染料降解、α—甲基苯乙烯光催化氧化反应、乙酸苯酯Photo-Fries等方面的应用。 分析表征结果证明插层化合物的组成通式分别为（RV）0.25V2O5和（RV）V3O8，有机—无机插层化合物的层间距随着烷基紫精中碳原子数的的增大而增大，但其结晶度随着烷基紫精阳离子中烷基链的增加而降低。插层化合物中钒原子以V4+和V5+两种混合价态存在、氧原子处于三种不同的化学环境、氮原子处于两种不同的化学环境。客体烷基紫精阳离子的引入对主体五氧化二钒或V3O8的骨架结构影响不大，主体的层状结构保存完好；主—客体之间相互修饰的协同效应，可能起到了延长客体分子激发态寿命的作用，插层化合物在紫外和可见光区域有很强的吸收。磁性研究的结果表明，在温度低于15K时，插层化合物具有反铁磁性的有序结构：当温度高于15K时，转变为顺磁性，表现出磁无序结构。 以V2O5／烷基紫精、V3O8／烷基紫精形成的插层化合物为光催化剂，在选定的条件下，对靛红等染料有很好的降解效果。在相同的条件下，V2O5／烷基紫精比V3O8／烷基紫精插层化合物光催化性能好。在靛红的光催化降解实验中，光源为13W紫外光，催化剂浓度为0.10g／L，靛红的浓度为20mg／L，室温下反应5个小时，靛红的降解率可达到99％以上。与有关文献的光催化靛红降解相比，本论文在进行染料的光催化降解的过程中，节省了能源、降低了成本。实验结果证明，

论文目录

• 目录
• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 前言
• §1.2 插层化合物概述
• 1.2.1 基本概念
• 1.2.2 层状主体材料的种类
• 1.2.3 无机层状化合物的结构特点
• 1.2.4 客体的分类
• §1.3 插层化合物的制备方法
• 1.3.1 离子交换法
• 1.3.2 小分子嵌入法
• 1.3.3 大分子柱撑法
• 1.3.4 电化学插层法
• §1.4 插层材料的表征
• §1.5 插层材料的应用
• 1.5.1 催化领域的应用
• 1.5.2 吸附分离方面应用
• 1.5.3 电极材料和导电材料
• 1.5.4 磁学材料
• 1.5.5 光学材料
• 1.5.6 纳米反应器
• 1.5.7 分子识别和化学传感器
• 1.5.8 阻燃方面的应用
• §1.6 论文的选题思路
• 参考文献
• 第二章 实验部分
• §2.1 常用药品
• 2O₅／烷基紫精、V₃O₈／烷基紫精插层化合物的表征方法'>§2.2 V₂O₅／烷基紫精、V₃O₈／烷基紫精插层化合物的表征方法
• 2.2.1.元素分析
• 2.2.2.X-射线粉末衍射测试（XRD）
• 2.2.3.傅立叶变换红外光谱（FT-IR）
• 2.2.4.X射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.5.紫外可见漫反射（UV-vis DRS）
• 2.2.6.磁性测试
• §2.3 光催化反应实验装置
• 2O₅／烷基紫精、V₃O₈／烷基紫精插层化合物的光催化性能评价'>§2.4 V₂O₅／烷基紫精、V₃O₈／烷基紫精插层化合物的光催化性能评价
• 2.4.1 染料光催化降解
• 2.4.2 α-甲基苯乙烯光催化氧化反应
• 2.4.3 乙酸苯酯Photo-Fries重排反应
• 第三章 五氧化二钒与烷基紫精插层主—客体复合材料的合成及其表征
• §3.1 引言
• §3.2 五氧化二钒与烷基紫精插层主-客体复合材料的制备
• §3.3 五氧化二钒与烷基紫精插层主-客体复合材料的表征
• 3.1.1 样品的元素分析结果
• 3.3.2 结构分析
• 3.3.3 FT-IR分析
• 3.3.4 XPS能谱研究
• 3.3.5 插层化合物的电子光谱性质
• 3.3.6 磁学性质
• §3.4 本章小结
• 参考文献
• 3O₈与烷基紫精插层主—客体复合材料的合成与表征'>第四章 V₃O₈与烷基紫精插层主—客体复合材料的合成与表征
• §4.1 引言
• 3O₈与烷基紫精插层主-客体复合材料的制备'>§4.2 V₃O₈与烷基紫精插层主-客体复合材料的制备
• 3O₈与烷基紫精插层主-客体复合材料的表征'>§4.3 V₃O₈与烷基紫精插层主-客体复合材料的表征
• 4.3.1 样品的元素分析结果
• 4.3.2 X-射线粉末衍射结果
• 4.3.3 傅立叶红外光谱结果
• 4.3.4 XPS能谱研究
• 4.3.5 紫外-可见漫反射光谱
• 4.3.6 磁学表征结果
• §4.4 本章小结
• 参考文献
• 2O₅／烷基紫精和V₃O₈／烷基紫精插层化合物在染料降解方面的应用'>第五章 V₂O₅／烷基紫精和V₃O₈／烷基紫精插层化合物在染料降解方面的应用
• §5.1 引言
• 2O₅／烷基紫精和V₃O₈／烷基紫精插层化合物对靛红的光催化降解'>§5.2 V₂O₅／烷基紫精和V₃O₈／烷基紫精插层化合物对靛红的光催化降解
• 5.2.1 光源的影响
• 5.2.2 溶剂的影响
• 5.2.3 乙醇含量的影响
• 5.2.4 不同催化剂的影响
• 5.2.5 催化剂浓度的影响
• 5.2.6 反应物浓度的影响
• 5.2.7 反应温度的影响和靛红降解的反应动力学研究
• 5.2.8 靛红降解机理推测
• 2O₅／烷基紫精插层化合物对其它染料的降解'>§5.3 V₂O₅／烷基紫精插层化合物对其它染料的降解
• §5.4 本章小结
• 参考文献
• 2O₅／烷基紫精和V₃O₈／烷基紫精插层化合物在光催化合成反应中的应用'>第六章 V₂O₅／烷基紫精和V₃O₈／烷基紫精插层化合物在光催化合成反应中的应用
• §6.1 引言
• §6.2 α—甲基苯乙烯光催化氧化反应
• 6.2.1 实验部分
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.2.2.1 溶剂的影响
• 6.2.2.2 催化剂用量的影响
• 6.2.2.3 不同催化剂的影响
• 6.2.2.4 氧气流速的影响
• 6.2.2.5 反应机理
• §6.3 乙酸苯酯Photo-Fries重排反应
• 6.3.1 实验部分
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.3.2.1 反应产物的确认
• 6.3.2.2 光源对乙酸苯酯的Fries重排反应的作用
• 6.3.2.3 溶剂对乙酸苯酯的Fries重排反应的影响
• 6.3.2.4 反应物的浓度对乙酸苯酯的Fries重排反应的影响
• 6.3.2.5 反应时间对乙酸苯酯的Fries重排反应的影响
• 2O₅／烷基紫精V₃O₈／烷基紫精插层化合物对反应的影响'>6.3.2.6 V₂O₅／烷基紫精V₃O₈／烷基紫精插层化合物对反应的影响
• 6.3.2.7 对反应机理的推测
• §6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 附录：攻读博士期间完成的论文和专利
• 致谢